卫星导航基础知识—坐标系和时间系统笔记整理

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第二章．卫星导航基础知识

（一）坐标系和时间系统
1. 坐标系统和时间系统是描述卫星运动、处理观测数据和表达观测站位置的数学与物理基础。GPS定位技术是通过安置在地球表面的GPS接收机同时接收4颗以上GPS卫星发出的信号测定接收机的位置。
2. 坐标系：坐标系三要素：①坐标原点位置②三个坐标轴指向③尺度（长度单位）
@点的位置是用坐标系表示的、同一个点在不同坐标系中就会有不同的表示方式和数据。
@坐标系类型：①天球坐标系②大地坐标系③其他坐标系④高程系统
@经常使用的 球面坐标系和大地坐标系 与 空间直角坐标系存在着明确的、唯一的转换关系，在使用中它们是等价的。
（1）天球坐标系：分为①天球球坐标系②天球直角坐标系 两者可以相互转换
@天球：以质心M为原点，半径R任意的一个假想球体。天体，投影到天球球面上；利用球面系统系统来研究和表达天体的位置及天体之间的位置关系。
@天轴和天极：自转轴的延伸直线；直线与天球的交点，有南北天极
@天球赤道面和天球赤道：通过地球质心且与天轴垂直的平面（与赤道面重合）；...交线
@天球子午面和天球子午圈：包含天轴并经过天球上任一点的平面；...交线（通过天极的圈：时圈）
@黄道：地球公转轨道面与天球相交的圆（地球公转时，地球上观测者所看到的太阳在天球上的运动轨迹），黄赤交角23度26分
@黄极：通过天球中心，垂直于黄道面的直线与天球相交的点（πn、πs）
① 天球球坐标系：

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② 天球直角坐标系：

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③ 天球空间直角坐标系和天球球面坐标系的转换：

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（2） 地球坐标系（是一个与地球相固连的坐标系）
① 地心空间直角坐标系和地心大地坐标系

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② 地心空间直角坐标系和]地心大地坐标系的转换

（3） 站心赤道直角坐标系 和 站心地平直角坐标系

（4） 瞬时极的两个坐标系——瞬时极天球坐标系 和瞬时极地球坐标系

↑↑瞬时极天球X轴指向为真春分点，Z轴指向为真天极，θG叫“真春分点时角”
瞬时极地球依瞬时地球自转轴定向，不是一个确定坐标
（5） 固定极的两个坐标系——平天球坐标系（固定极天球坐标系）和平地球坐标系（固定极地球坐标系）
① 平天球坐标系：由于地球章动（自转引起，短周期18.6y）和行星岁差（公转引起，长周期25 800y），地球自转轴产生进动，导致春分点移动。
@选择某一个历元时刻（起算点），由此瞬间地球的自转轴和春分点方向扣除此瞬间的章动值作为z,x轴指向，y轴按右手坐标系确定，坐标原点与真天球坐标系相同（为地心）。
② 平地球坐标系：由于极移和地球自转，需要定义一个在地球上稳定不变的坐标系。
@1900年国际大地测量与地球物理联合会以1900.00-1905.05自转轴瞬时位置的平均位置作为地球的固定极“国际协定原点CIO”，平地球坐标系的z轴指向国际协定原点。Yp和xp由国际及依据IPMS经过观察事后公布。坐标原点为地心，xp指向本初子午线，yp指向经度270度方向。
（6） 坐标系的两种定义方式：坐标系的理论定义和协定坐标系。
理论：①选定尺度单位②定义原点位置和坐标轴指向
协定（实际应用）：①已知若干测站点的坐标值②反过来定义坐标系

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3.协议天球坐标系和协议地球坐标系的相互转化
原理：①协议天球坐标系先转换成真天球坐标系，再用真天球坐标系转换成真天球坐标系； ②真天球坐标系和真地球坐标系的z轴相同，差别在x轴，它们都在赤道面上但指向不同。

5. WGS-84坐标系
（1） 基本信息：（它属于地心直角坐标系）

（2） WGS-84椭球：定位在地心的旋转等位椭球
四个基本参数：

可以求出椭球常数：第一、第二偏心率，扁率
（3） 高程确定：H正=H-N
正高H正=由GPS定位测定的大地高H-大地水准面高N（N可设法解算）
① 大地高系统②正高系统③正常高系统 是三种测量中常用的高程系统
@高程系统参考面之间的关系

@大地水准面的限制：用于地形图上的高程系统，无法用数学公式精确计算。
@正常高系统：可以精确计算。
6. 时间系统：
（1） 时间系统2要素：①时间的单位（尺度）②原点（起始历元）
（2） 符合下列要求的任何一个可观察的周期运动现象，都可用作确定时间的基准：
① 运动是连续的、周期性的；
② 运动的周期应具有充分的稳定性；
③ 运动的周期必须有复现性。
（3） 世界时系统：以地球自转运动为基准的世界时系统
① 恒星时(Sidereal Time)：从某一恒星升起开始到这一恒星再次升起（23h56′4″）

② 太阳时（Sidereal Time）：以真正的太阳为参考点，太阳视圆面中心连续两次通过上中天的时间间隔，一个真太阳时。1真太阳日=24h,1h=60min,1min=60s。地球公转速度不均。
③ 平太阳时（Mean Solar Time）：平太阳（假设的参考点）通过本地子午线圈的瞬间为原点，具有地方性
@日常生活中用的钟和手表用平太阳时
④ 世界时(Universal Time)：以本初子午线的平子夜起算的平太阳时（格林尼治平时）
@各地的地方平时与世界时之差等于该地的地理经纬度（折算）。
@世界时与平太阳时时间尺度相同，起算点不同
@+极移改正UT1 +自转速度季节性变化UT2（都是因自转不稳定引入的修正）
（4） 原子时（Atomic Time）：以物质的原子内部发射的电磁振荡频率为基准的时间计量系统
@原子时初始历元：AT=UT2-0.0039s
@原子秒长：位于海平面上的铯133原子/基态的两个超精细能级，在零磁场中跃迁辐射震荡9192631770周所持续的时间。
@1967年始，原子时成为基本的时间计量系统。原子时秒长：3大物理量的基本单位之一。
（5） 协调世界时(Coordinate Universal Time)：以原子秒长为基础，在时刻上尽量接近于世界时的一种折衷时间系统。
@采用润秒和跳秒的方法：国际原子时ATI=UTC+1^s*n (n为调整参数)
（6） GPS时间系统（GPST）：为精密导航和测量需要，全球定位系统-专用的时间系统，由GPS主控站的原子钟控制。
@GPS时属于原子时系统，秒长与原子时相同，但原点与国际原子时不同。GPST与ATI在任一瞬间均有以常量偏差ATI-GPST=19s
@GPST=UTC+1*n^(-19)s

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